飞秒激光烧蚀LiNbO_3晶体的形貌特征与机理研究

10 期
余本海等 : 飞秒激光烧蚀 LiNbO3 晶体的形貌特征与机理研究
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图 4 230 nJ ,单脉冲作用 LiNbO3 的烧蚀形貌与烧蚀点轮廓图
点的 SEM 图. 从图 5 和图 6 可以看出 ,随着能量的 增大和脉冲数量的增多 ,烧蚀点的面积和深度都增 大 ,在能量较低时烧蚀点周围的溅射物质较少 ,而能 量高时烧蚀点周围的溅射物质较多. 同时由图 6 中 的 (c) , (d) , (g) , (h) 可以看出 ,在能量较低或脉冲数 量较少的飞秒激光作用下 ,LiNbO3 晶体呈现大约 200 nm周 期 性 分 布 的 波 纹 状 结 构 , Shimotsuma 等 人[22] 在研究石英玻璃时也发现了类似的纳米结构 , 并认为是由于入射波和近面散射波的干涉造成的结 果 ,我们在 KTP[23] 晶体和 MgAl2O3 [24] 晶体中也发现 了类似的纳米结构 ,我们分析认为除了干涉的原因 使飞秒激光与透明晶体材料相互作用产生纳米波纹 结构外 ,可能还与晶体的周期性结构有关 ,这也是本 工作进一步研究的重点. 图 7 为100 nJ ,17 个飞秒激 光脉冲作用 LiNbO3 的烧蚀形貌与烧蚀点轮廓原子 力显微镜图 ,烧蚀点的直径约为 800 nm ,深度约为
图 9 多光子电离下自由电子强度分布
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10 期
余本海等 : 飞秒激光烧蚀 LiNbO3 晶体的形貌特征与机理研究
3131 刻蚀光栅
以 50 nJ 的能量 、300μmΠs 的速率 、5μm 的线间 距在 LiNbO3 晶体表面刻蚀 2 mm ×2 mm 光栅 , 图 8 (a) 为部分光栅 CCD 照片 ,图 8 (b) 为 632 nm He2Ne
激光透过光栅的衍射图样 ,图 8 (c) , (d) 分别为光栅 烧蚀较宽处和较窄处的 SEM 图. 光栅烧蚀线在较宽 处烧蚀较深 ,宽度约为 112μm ,而在较窄处宽度小于 800 nm ,因此通过选择合适的加工参数 ,可以利用飞 秒激光在 LiNbO3 晶体上进行超衍射极限加工.
第 56 卷 第 10 期 2007 年 10 月 100023290Π2007Π56 (10)Π5821206
物 理 学 报
ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 56 ,No. 10 ,October ,2007 ν 2007 Chin. Phys. Soc.
飞秒激光烧蚀 LiNbO3 晶体的形貌特征与机理研究 3
本工作实验研究了飞秒激光脉冲与 LiNbO3 晶 体的相互作用 ,采用不同能量的单脉冲和多脉冲飞
秒激光对 LiNbO3 晶体进行烧蚀 ,以 50 nJ 的单脉冲 能量 、300μmΠs 的速率 、5μm 的线间距在 LiNbO3 晶 体表面刻蚀了 2 mm ×2 mm 的表面衍射型光栅. 通过 场发射扫描电镜和原子力显微镜观察了烧蚀点的形 貌特征 ,首次发现利用单束飞秒激光作用透明晶体 材料 ,只要激光脉冲的能量和数量选择合适 ,都可以 得到小于衍射极限的烧蚀点. 本实验是直接利用单 束飞秒激光作用透明晶体材料实现超衍射极限加 工 ,这对于利用飞秒激光制作微纳光电子器件有着 十分重要的意义.
3121 多脉冲作用
图5 为不同脉冲能量和不同脉冲数量烧蚀 LiNbO3 晶体的整体 SEM 图 ,从上到下 ,行 1 至行 7 的单脉冲能量分别为 700 ,470 ,230 ,180 ,100 ,60 和 50 nJ ,从左到右 ,列 1 至列 10 的脉冲数量分别为 2 , 4 ,8 ,17 ,33 ,67 ,125 ,250 ,500 ,1000. 图 6 为部分烧蚀
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要小得多[14 ,15 ,27] ,在多光子电离过程中 ,随着光子数 量 k 的增加 ,飞秒激光光斑内自由电子的密度也越 集中[28] ,进而微加工的尺寸也会更小 ,实现超衍射 极限加工 ,如图 9 所示.
320 nm.
图 5 不同脉冲能量和不同脉冲数量烧蚀 LiNbO3 晶体后的整体 SEM 图
图 6 不同参数的飞秒脉冲烧蚀后的 SEM 图 (a) 470 nJ ,1000 脉冲 ; (b) 100 nJ ,1000 脉冲 ; (c) 60 nJ ,1000 脉冲 ; (d) 50 nJ , 1000 脉冲 ; (e) 100 nJ ,4 脉冲 ; (f) 100 nJ ,17 脉冲 ; (g) 60 nJ ,33 脉冲 ; (h) 50 nJ ,67 脉冲
品上表面 ,根据光斑直径 D 与激光波长λ和聚焦物
镜数 值 孔 径 NA ( numerical aperture ) 的 关 系 : D =
1.
22
×λ
NA
,聚焦后照射在样品表面的束斑直径约为
2μm. 三 维 控 制 平 台 在 X 、Y 轴 的 控 制 精 度 为
3 国家自然科学基金 (批准号 :10574050) 和高等学校博士学科点专项科研基金 (批准号 :20060487006) 资助的课题. 通讯联系人. E2mail : lupeixiang @mail . hust . edu. cn
关键词 : 飞秒激光 , LiNbO3 晶体 , 衍射极限 , 烧蚀阈值 PACC : 4255R , 4262A , 4265
11 引 言
近年来 ,利用飞秒激光的非线性效应对透明材 料的烧蚀与改性研究受到极大关注[1 —9] ,并已经应 用于制作光波导[10 ,11] 、光耦合[12] 、光存储[13] 等光电 子器件领域. 利用飞秒激光双光子微加工技术可以 在 SU28[14] ,Polymer[15] 等材料上进行超衍射极限加 工 ,为飞秒激光在纳米光信息存储 、纳米光刻以及制 作微机械等应用开辟了光明的前景.
21 实 验
实验装置如图 1 所示 , Ti : Sapphire 激光系统输
出激光的脉冲宽度为 50 ±5 fs ,中心波长为 800 nm ,
重复频率为 1000 Hz ,激光脉冲能量在 0 —2 mJ 连续
可调 ,与 LiNbO3 晶体作用的脉冲数量通过机械快门
控制 ,并通过数值孔径为 015 的 20 倍物镜聚焦在样
余本海 戴能利 王 英 李玉华 季玲玲 郑启光 陆培祥
(华中科技大学 武汉光电国家实验室激光科学与技术部 , 光电子科学与工程学院 ,武汉 430074) (2007 年 1 月 4 日收到 ;2007 年 2 月 4 日收到修改稿)
采用了不同能量的单脉冲和多脉冲飞秒激光对 LiNbO3 晶体进行烧蚀 ,并刻蚀了表面衍射型光栅. 通过扫描电 镜和原子力显微镜观察了烧蚀点的形貌特征 ,首次发现利用单束飞秒激光脉冲对 LiNbO3 晶体烧蚀 ,可以得到超衍 射极限的烧蚀点 ,当聚焦光斑直径约为 2μm、能量为 170 nJ 的单脉冲飞秒激光作用时 ,烧蚀点的直径约为 400 nm , 100 nJ ,17 个脉冲作用时烧蚀点的直径约为 800 nm. 同时可以观察到在能量较低的多脉冲飞秒激光作用下 , LiNbO3 晶体呈现出大约 200 nm 周期性分布的波纹状结构. 实验结果表明 ,选择合适参数的飞秒激光脉冲可以对 LiNbO3 晶 体进行超衍射极限加工 ,这对于利用飞秒激光制作 LiNbO3 基质的微纳光电子器件有十分重要的意义.
铌酸锂 (LiNbO3 ) 晶体是一种优良的多功能晶体 材料 ,可用于压电 、电光 、声光 、非线形光学和光折变 等技术领域. 利用 LiNbO3 和掺杂 LiNbO3 晶体的特 性 ,可用来制做压电换能器 、声表面波器件 、光波导 器件 、全息存储器件 、传感器件和隔离器 、循环器件 等[16 ,17] . 近年来 ,随着飞秒激光微纳精密加工的发 展 ,利用飞秒激光烧蚀 、改性 LiNbO3 晶体制作光波 导器件和光存储器件已经成为热点[18 —21] ,但所报道 的烧蚀点的尺寸均大于衍射极限 ,如 Zhou 等人采用 740 nm 飞秒激光 , 114 ×油浸物镜 ( 衍射极限约为 640 nm) 得到的烧蚀点直径约为 112μm[18] .
图 1 飞秒激光烧蚀 LiNbO3 的实验装置
图 2 不同参数的飞秒脉冲烧蚀后的 CCD 照片
31 结果与讨论
3111 单脉冲作用
实验中分别采用不同能量的单脉冲对 LiNbO3 进行烧蚀 ,结果如图 2 所示. 场发射扫描电镜 (SEM) 观察到样品的损伤形貌如图 3 所示. 实验结果表明 , 在单脉冲能量为 60 nJ 时 ,仍然可以观察到 LiNbO3 有损伤 , 而脉冲能量低于 60 nJ 时无损伤点 , 因此 LiNbO3 在单脉冲作用下的能量损伤阈值为约 60 nJ . 由图 3 (a) , ( b) 可以看出 ,在单脉冲激光作用下 ,能 量较高时烧蚀点的面积较大 ,而且烧蚀区域有明显 的裂纹. 随着激光能量的降低 ,烧蚀点的面积逐渐减 小 ,在能量为 470 nJ 单脉冲飞秒激光作用下的烧蚀 点直径与衍射极限近似相同 (见图 3 (c) ) ,当能量为 170 nJ 时 ,烧蚀点的直径约为 400 nm(见图 3 (f) ) ,已 经远小于衍射极限的值. 图 4 为 230 nJ ,单脉冲作用 LiNbO3 的烧蚀形貌与烧蚀点轮廓原子力显微镜图 , 烧蚀点的直径约为 720 nm ,深度约为 60 nm.
图 3 不同脉冲能量烧蚀 LiNbO3 的扫描电子显微镜图 (a) 3175μJ ; (b) 1188μJ ; (c) 470 nJ ; (d) 350 nJ ; (e) 230 nJ ; (f) 170 nJ © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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56 卷
0103μm ,在 Z 轴的控制精度为 1μm. 实验使用的样 品为 z 切 LiNbO3 晶体 ,尺寸为 10 mm ×5 mm ×015 mm ,熔点为 1650 ℃,密度为 4170 gΠcm3 . 实验中 ,可通 过 CCD 成像技术观察到飞秒激光对 LiNbO3 的烧蚀 过程 ,并可对烧蚀点进行成像观察 ,如图 2 所示.
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图Leabharlann Baidu7 100 nJ , 17 个脉冲作用 LiNbO3 的烧蚀形貌与烧蚀点轮廓图
图 8 光栅的 CCD 照片 、衍射图样和 SEM 图 (a) 光栅的 CCD 照片 ; (b) 光栅的衍射图样 ; (c) 光栅较宽处的 SEM 图 ; (d) 光栅较窄处的 SEM 图
3141 作用机理
激光烧蚀透明介电材料时 ,如果激光的功率密 度较低 ,则透明材料会具有很高的透过率 ,当激光的 功率密度超过透明材料的“损伤阈值”以后 ,透明材 料对激光能量的非线性吸收较强. 一般认为 ,飞秒激 光对透明材料的损伤原因是在激光照射下 ,大量的 价带电子转变为导带电子 ,使其密度迅速增加 ,当其 密度超过等离子体密度时 ,材料开始大量吸收激光 能量 ,从而导致材料的破坏. 从价带电子到导带电子 的转变途径有多光子电离过程和碰撞电离过程 ,研 究结果表明[25 ,26] ,飞秒激光烧蚀石英玻璃 、氧化铝等 透明材料主要是多光子电离起重要作用. 相对于单 光子吸收而言 ,利用双光子吸收实现微加工的尺寸